Isolated 36 Watt Flyback Converter. Using the UC3842A Primary Side Controller. — _

Switched Mode Power Supply.

現在のスイッチング電源(SMPS: switched-mode power supply)は、ほとんどの電子機器に一般的に使用されている。同じ電力を供給するリニア安定化電源に比べ、高効率、小型、低コストという利点がある。多くの異なるタイプのSMPS(降圧、昇圧、フライバック、プッシュプル、…)の中で、フライバック電源は広く使用されており、多くの分野で応用されている。そこで、このフライバック・コンバータを研究した。

Mạch nguồn xung
SMPS Board.

フライバック・コンバータは、入力と出力の間をガルバニック絶縁したAC/DC変換とDC/DC変換の両方に使用される。フライバック・コンバータは、インダクタを分割してトランスを形成した降圧コンバータであるため、電圧比で乗算され、さらに絶縁という利点がある。

DC/DC Flyback Converter diagram.

フライバックコンバータの構造:

  • 入力コンデンサー:入力電圧を平滑化する。入力コンデンサの値は、入力が遮断されたときに入力電圧を保持できる時間にも関係する。(Vinは直流電圧で、入力が交流電圧の場合は整流器を通す必要がある)。
  • RCDスナバ:回路図の入力ラインとMOSFETを接続する。スナバ回路は、トランスの漏れインダクタンスによって発生するサージ電圧を抑制するために挿入される。
  • トランス: 電圧変換。入力電圧と出力電圧の絶縁。
  • スイッチング素子: 制御ICのPWMパルスに従ってオン・オフする。MOSFETがよく使われる。
  • 整流ダイオード:出力電圧を整流する。通常、高速スイッチング・ダイオード(ショットキー・ダイオード、ファストリカバリー・ダイオード)を使用する。
  • 出力コンデンサ:出力電圧をフィルタリングする。
  • フィードバックループと絶縁素子:回路がパルス幅を制御するように、出力電圧をフィードバックする。オプトアイソレーターを使用して、出力電圧を入力から絶縁する。
  • 制御IC:MOSFET(BJT)を制御するためにPWMパルスを生成する。電圧と電流のフィードバックを受けてパルス幅を調整する。
    さらに、過電流、過電圧保護、逆極性防止などの機能を追加する回路もある。

フライバックコンバータのデューティサイクル:

スイッチング動作の2つのモード:

  1. CCM ( Continuous Conduction Mode ).
  2. DCM ( Discontinuous Conduction Mode ).

CCM and DCM Waveform:

Primary side inductor Np voltage, current waveforms.

 

MOSFET voltage, current waveforms.

 

Rectification Diode voltage, current waveforms.

フライバックコンバータの設計.

DC/DCフライバックコンバータ回路は様々な用途に使用できる。

電源電圧設計:

Input voltage range: +22VDC to +60VDC. Output voltage: + 12VDC. Load : 0A to 3A

研究の過程で、計算、テスト、部品の選択、シミュレーションを支援するソフトウェアを使用した。(Power Stage Designer、TI Webench Power Designer、SIMtrix / SIMPLIS)。テキサス・インスツルメンツ、アナログ・デバイセズ、ロームなどのメーカーのサンプル設計を参照し、設計を補足・改善した。PCBを設計し、テスト測定用のプロトタイプを作成し、以前の計算およびシミュレーション・データと比較した。

回路設計.

計算されたパラメータを確認するに、テキサス・インスツルメンツのPower Stage Designer Toolソフトウェアを使用した。

Using PSD in transformer calculation.

抵抗、コンデンサ、ダイオードで構成されるスナバ回路は、回路図では入力ラインとMOSFETに接続されている。フライバック設計では、トランスコアにギャップが設けられるため、漏れ磁束が増加し、漏れインダクタンスが発生する。この漏れインダクタンスにもスイッチング電流が流れ、エネルギーが蓄積されるが、他の巻線とは結合されないため電力は伝達されず、MOSFETのドレインとソースにサージ電圧が発生する。発生したサージ電圧がMOSFETの定格電圧を超えると、MOSFETが故障する可能性がある。これを防ぐため、スナバ回路を挿入してサージ電圧を抑制する。この回路の重要な構成要素のひとつである。

Using PSD in RCD Snubber calculation.

テキサス・インスツルメンツのWebench Power Designツールを使用して、類似の設計、特に回路仕様を検索する。このツールでは、回路図や各部品の特性のほか、電圧、電流、動作モード、部品の電力、回路線などのパラメータが用意されており、入力値を変更することもできる。

Schematic and electric component parameters.
The specifications of the circuit, adjustable values.
The characteristic of the circuit.

Simulation by SIMtrix / SIMPLIS software.

Simulation schematic.

Simulate with input voltage: Vin = 22V, load : 100mA.

Output voltage waveform (red) and output current waveform (green) at Vin = 22V, Io = 100mA.
Primary side inductor Np voltage (green), and current waveform (red) , DCM mode, at Vin = 22V, Io = 100mA.
MOSFET voltage (green) and current waveform (blue), DCM mode, at Vin = 22V, Io = 100mA.
Rectification Diode voltage (red), current waveform (green), DCM mode, at Vin = 22V, Io = 100mA.

Simulate with input voltage: Vin = 22V, load : 3A.

Output voltage waveform (red) and output current waveform (green), at Vin = 22V, Io = 3A.
Primary side inductor Np voltage waveform (red) and current waveform (green) , CCM mode. at Vin = 22V, Io = 3A.
MOSFET voltage (red) and current waveform (green), CCM mode, at Vin = 22V, Io = 3A.
Rectification Diode voltage (red), current waveform (green), CCM mode, at Vin = 22V, Io = 3A.

Simulate with input voltage: Vin = 60V, load : 3A.

Output voltage waveform (blue) and output current waveform (green), at Vin = 60V, Io = 3A.
Primary side inductor Np voltage waveform (red) and current waveform (green), DCM mode. at Vin = 60V, Io = 3A.
MOSFET voltage (blue) and current waveform (red), DCM mode, at Vin = 60V, Io = 3A.
Rectification Diode voltage (red), current waveform (green), DCM mode, at Vin = 60V, Io = 3A.

シミュレーション結果:

  • Vin < 31VDC かつ Io < 2.3A のとき、回路は DCM モードで動作し、Io > 2.3A のとき、CCM モードで動作する。
  • Vin>31VDCの場合、回路はDCMモードでのみ動作する。

同メーカーの類似設計のデータと比較すると、ほぼ同じ値である。

試作と評価

シミュレーション後、PCBレイアウト設計をして、組み立てた。

PCB layout
PCB – 3D
Transformer Electrical Diagram.
Transformer Construction Diagram

 

E25/13/7 transformer, using TDK core.
36-watt Flyback converter board.

Measure and evaluate.

Measure and evaluate

入出力 評価結果:

  • 入出力仕様と測定結果:

I_out
( A )
Output Voltage
V_out (V)
Total output power
P_out (W)
Input Current
I_in (A)
 Duty cycle
D (%)
Input Voltage Input Voltage Input Voltage Input Voltage
22 V 41 V 60 V 22 V 41 V 60 V 22 V 41 V 60 V 22 V 41 V 60 V

0.1

11.99

11.98

11.99

1.20

1.20

1.20

0.14

0.09

0.08

27.13%

14.16%

12.20%

0.2

11.98

11.98

11.98

2.40

2.40

2.40

0.21

0.13

0.11

29.35%

15.70%

14.48%

0.3

11.98

11.98

11.98

3.59

3.59

3.59

0.28

0.17

0.13

32.44%

16.42%

15.57%

0.4

11.97

11.97

11.98

4.79

4.79

4.79

0.35

0.20

0.16

34.04%

17.09%

16.46%

0.5

11.97

11.97

11.97

5.99

5.98

5.99

0.42

0.24

0.18

39.52%

18.61%

17.78%

0.6

11.97

11.97

11.97

7.18

7.18

7.18

0.49

0.28

0.21

41.87%

19.78%

18.83%

0.7

11.96

11.96

11.97

8.37

8.37

8.38

0.56

0.31

0.24

43.87%

21.36%

19.07%

0.8

11.96

11.96

11.96

9.57

9.57

9.57

0.63

0.35

0.26

45.35%

22.40%

20.09%

0.9

11.96

11.96

11.96

10.76

10.76

10.76

0.71

0.39

0.29

47.83%

22.80%

20.43%

1.0

11.95

11.95

11.95

11.95

11.95

11.95

0.78

0.43

0.31

49.31%

23.92%

20.47%

1.2

11.94

11.94

11.95

14.33

14.33

14.34

0.93

0.50

0.36

51.10%

26.95%

21.84%

1.4

11.94

11.94

11.94

16.71

16.71

16.72

1.09

0.58

0.41

53.19%

29.34%

22.61%

1.6

11.93

11.93

11.93

19.09

19.09

19.09

1.25

0.65

0.46

54.96%

31.30%

23.48%

1.8

11.92

11.92

11.93

21.46

21.46

21.47

1.42

0.73

0.51

56.85%

32.08%

24.59%

2.0

11.92

11.92

11.92

23.83

23.83

23.84

1.62

0.81

0.57

57.85%

34.31%

25.47%

2.2

11.90

11.91

11.91

26.19

26.20

26.20

1.85

0.89

0.62

58.85%

36.24%

26.38%

2.4

11.89

11.90

11.90

28.54

28.56

28.57

1.88

0.97

0.67

58.83%

37.47%

27.67%

2.6

11.89

11.89

11.90

30.90

30.92

30.93

1.91

1.05

0.73

58.83%

41.38%

28.13%

2.8

11.88

11.88

11.89

33.25

33.28

33.29

1.95

1.15

0.79

58.86%

42.00%

29.01%

2.9

11.87

11.88

11.89

34.41

34.45

34.47

2.04

1.23

0.84

58.85%

42.12%

30.18%

3.0

11.84

11.81

11.88

35.53

35.43

35.65

2.06

1.26

0.90

58.85%

42.18%

31.10%

  • Webench Power Designでシミュレーションした特性と実測値の比較:

Compare the power output between simulation (red) with the measured results (green).
Compare the Duty cycle between simulation (red) with the measured results (green).
  • 波形

Output voltage (yellow) and output current waveform (blue), input voltage (red) and input current waveform (green) at Vi = 22V và Io = 1.94A.
Output voltage (yellow) and output current waveform (blue), input voltage (red) and input current waveform (green) at Vi = 60V và Io = 3A

トランス, MOSFET, 整流ダイオード 特性評価:

  • 整流ダイオード電圧、電流測定結果:

Iout ( A ) Dsec If Dsec Vf Dsec Pd Dsec If Dsec Vf Dsec Pd Dsec If Dsec Vf Dsec Pd
0.1 0.12237 0.58 0.070975 0.14025 0.585 0.082046 0.1581 0.33 0.052173
0.2 0.2229 0.6 0.13374 0.2375 0.595 0.141313 0.2542 0.35 0.08897
0.3 0.3214 0.605 0.194447 0.3367 0.61 0.205387 0.3538 0.35 0.12383
0.4 0.4166 0.62 0.258292 0.4359 0.61 0.265899 0.4529 0.36 0.163044
0.5 0.5179 0.62 0.321098 0.5368 0.61 0.327448 0.5506 0.35 0.19271
0.6 0.6207 0.63 0.391041 0.6332 0.61 0.386252 0.6486 0.365 0.236739
0.7 0.7182 0.63 0.452466 0.736 0.635 0.46736 0.7483 0.375 0.280612
0.8 0.8185 0.66 0.54021 0.8336 0.65 0.54184 0.8508 0.385 0.327558
0.9 0.9216 0.645 0.594432 0.9315 0.64 0.59616 0.948 0.385 0.36498
1 1.0257 0.67 0.687219 1.0334 0.635 0.656209 1.0518 0.4 0.42072
1.2 1.2232 0.685 0.837892 1.2292 0.65 0.79898 1.2453 0.42 0.523026
1.4 1.4241 0.715 1.018232 1.4283 0.66 0.942678 1.4446 0.43 0.621178
1.6 1.6212 0.71 1.151052 1.6295 0.67 1.091765 1.6451 0.46 0.756746
1.8 1.8732 0.75 1.4049 1.8336 0.68 1.246848 1.8433 0.47 0.866351
2 2.069 0.725 1.500025 2.0319 0.69 1.402011 2.0423 0.485 0.990515
2.2 2.272 0.755 1.71536 2.274 0.7 1.5918 2.285 0.51 1.16535
2.4 2.473 0.775 1.916575 2.472 0.72 1.77984 2.482 0.51 1.26582
2.6 2.669 0.776 2.071144 2.669 0.73 1.94837 2.684 0.54 1.44936
2.8 2.873 0.774 2.223702 2.871 0.725 2.081475 2.884 0.565 1.62946
2.9 2.965 0.778 2.30677 2.973 0.74 2.20002 2.983 0.575 1.715225
3 3.043 0.782 2.379626 3.073 0.76 2.33548 3.086 0.585 1.80531
  • 実測値とWebench Power Designの比較:
Compare the Diode power between simulation (red) with the measured results (green).
  • 波形
    • 測定結果 入力電圧: Vin = 22V, load Io = 1.1 A. 回路は DCM modeで動作している。:

Rectification Diode voltage (yellow), current waveform (blue), PWM waveform (red), Output current waveform. At Vin = 22V, Io = 1.1A, DCM mode.
    • 測定結果 入力電圧: Vin = 22V, load Io = 1.961 A. 回路は CCM modeで動作している。:

Rectification Diode voltage (yellow), current waveform (blue), PWM waveform (red), Output current waveform. At Vin = 22V, Io = 1.961A, CCM mode.
    • 測定結果 入力電圧: Vin = 60V, load Io = 2.8 A. 回路は DCM modeで動作している。:

Rectification Diode voltage (yellow), current waveform (blue), PWM waveform (red), Output current waveform. At Vin = 60V, Io = 2.8A, DCM mode.
  • 1次側実効電流、二次側実効電流測定結果:

Iout ( A ) Primary RMS Current
T1 Iprim RMS (A)
Secondary1 Winding RMS Current
T1 Is1 RMS (A)
Input Voltage Input Voltage
22 V 41 V 60 V 22 V 41 V 60 V
0.1 0.3682 0.3331 0.3216 0.3902 0.4102 0.4802
0.2 0.4622 0.4235 0.3928 0.5887 0.5661 0.5312
0.3 0.5208 0.5060 0.4570 0.7205 0.7331 0.7370
0.4 0.6202 0.5753 0.5236 0.8983 0.8250 0.9550
0.5 0.7161 0.6177 0.5700 1.0700 1.0400 1.1030
0.6 0.8114 0.6636 0.6165 1.2350 1.1520 1.3370
0.7 0.9072 0.7339 0.6813 1.3960 1.2880 1.5330
0.8 0.9983 0.8025 0.7405 1.5650 1.4270 1.6720
0.9 1.0900 0.8663 0.7992 1.7170 1.5330 1.8540
1.0 1.1800 0.9312 0.8035 1.8630 1.6860 1.9820
1.2 1.3500 1.0610 0.8571 2.1420 1.9510 2.2500
1.4 1.5230 1.1870 0.9545 2.4130 2.2060 2.5200
1.6 1.7050 1.3040 1.0460 2.6960 2.4520 2.7760
1.8 1.9120 1.4190 1.1380 2.9910 2.6870 3.0220
2.0 2.1440 1.5370 1.2260 3.3080 2.9260 3.2640
2.2 2.4040 1.6460 1.3060 3.8410 3.1490 3.4910
2.4 2.7150 1.7570 1.3960 4.1552 3.3710 3.7210
2.6 2.8151 1.8780 1.4830 4.4338 3.5960 3.9460
2.8 2.9292 1.9820 1.5630 4.7825 3.8010 4.2100
2.9 3.0192 2.0890 1.6790 4.9530 3.9320 4.3190
3.0 3.1256 2.1920 1.7490 5.1254 4.0000 4.4550
  • Webench Power Designシミュレーション結果と実測値比較:
Compare the Primary RMS current between simulation (red) with the measured results (green).
Compare the Secondary winding RMS current between simulation (red) with the measured results (green).
  • 波形
    • 測定結果 入力電圧: Vin = 22V, load Io = 1.1 A. 回路は DCM modeで動作している。

Primary side inductor Np voltage (yellow), current waveform (blue), PWM waveform (red), Output current waveform. At Vin = 22V, Io = 1.1A, DCM mode.
    • 測定結果 入力電圧: Vin = 22V, load Io = 1.9611 A. 回路は CCM modeで動作している。

Primary side inductor Np voltage (yellow), current waveform (blue), PWM waveform (red), Output current waveform. At Vin = 22V, Io = 1.961A, CCM mode.
      • 測定結果 入力電圧: Vin = 60V, load Io = 2.8 A. 回路は DCM modeで動作している。

Primary side inductor Np voltage (yellow), current waveform (blue), PWM waveform (red), Output current waveform. At Vin = 60V, Io = 2.8A, DCM mode.

MOSFET specifications evaluation:

  • Waveform.

    • 測定結果 入力電圧: Vin = 22V, load Io = 1.1 A. 回路は DCM modeで動作している。

MOSFET voltage (yellow), current waveform (blue), PWM waveform (red), Output current waveform. At Vin = 22V, Io = 1.1A, DCM mode.
    • 測定結果 入力電圧: Vin = 22V, load Io = 1.961 A. 回路は CCM modeで動作している。

MOSFET voltage (yellow), current waveform (blue), PWM waveform (red), Output current waveform. At Vin = 22V, Io = 1.961A, CCM mode.
    • 測定結果 入力電圧: Vin = 60V, load Io = 2.8 A. 回路は DCM modeで動作している。

MOSFET voltage (yellow), current waveform (blue), PWM waveform (red), Output current waveform. At Vin = 60V, Io = 2.8A, DCM mode.

研究の過程では、欠点があることは避けられませんが、読者の皆さんからコメントをいただき、改善に役立てたいと考えています。

ARD-DN Team

References:

Markus Zehendner, Matthias Ulmann, “Power Topologies Handbook “, Texas Instruments.

“Under the Hood of Flyback SMPS Designs”, TI Literature Number: SLUP254,Texas Instruments.

“Methods of Designing PWM Flyback Converter”, Rohm Semiconductor.

“Design Guidelines for RCD Snubber of Flyback Converters”, Application Note AN-4147, Fairchild Semiconductor.

“DC-DC Converters Feedback and Control”, Application Note TND352, ON Semiconductor

https://webench.ti.com/power-designer/switching-regulator

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